nand flash简介
nand flash是一种非易失性存储器。它具有高存储密度、低成本和高耐用性的特点。
nand flash的特性是非易失性，即在电源关闭的情况下，数据仍然保留。 nand flash的存储单元由浮动栅极晶体管组成，每个存储单元可以存储一位或多位数据。nand flash通过编程和擦除操作来写入和删除数据，这与传统的随机存取存储器 (RAM) 不同。
nand flash的基本存储类型有以下几种：
- SLC（Single-Level Cell）：每个存储单元存储 1 位数据，具有较高的速度和耐久性，但成本较高。
- MLC（Multi-Level Cell）：每个存储单元存储 2 位数据，成本较低，但速度和耐久性相对较差。
- TLC（Triple-Level Cell）：每个存储单元存储 3 位数据，进一步降低了成本，但速度和耐久性进一步下降。
- QLC（Quad-Level Cell）：每个存储单元存储 4 位数据，成本最低，但速度和耐久性最差
nand flash的架构基本如下：
块和页：NAND Flash 存储器被分成多个块，每个块又被分成多个页。数据写入以页为单位，而擦除则以块为单位。 控制器：管理 NAND Flash 的读写操作、错误纠正和磨损均衡等功能。
nand flash的主要规范如下：
-
容量：NAND Flash 的总存储容量，通常以 GB 或 TB 为单位。
-
页大小：NAND Flash 中最小的可写单元，通常为 2KB、4KB 或 8KB。
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块大小：包含的页数，每块大小通常为 64 页、128 页或 256 页。
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读取速度：读取数据的速度，通常以 MB/s 为单位。
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写入速度：写入数据的速度，通常以 MB/s 为单位。
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擦除时间：擦除一个块所需的时间，以毫秒（ms）为单位。
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耐久性：每个块可承受的编程/擦除循环次数，通常为几千到几十万次。
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数据保持：无电源情况下数据能够可靠保存的时间，通常为几年到十几年。
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接口：使用的通信接口类型，如并行接口、SPI 接口或 ONFI 标准接口。
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电压：核心和 I/O 操作的工作电压范围。
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封装：NAND Flash 的物理形态，如 TSOP、BGA 或 LGA 封装。
-
温度范围：工作和存储温度范围。
规范示例
假设一个 NAND Flash 规格表如下：
- 容量：128GB
- 页大小：4KB
- 块大小：256 页（1MB）
- 读取速度：25 MB/s
- 写入速度：10 MB/s
- 擦除时间：2 ms
- 耐久性：100,000 次编程/擦除循环
- 数据保持：10 年
- 接口：ONFI 2.2
- 电压：1.8V 至 3.3V
- 封装：48 针 TSOP
- 温度范围：-40°C 至 85°C
nand 的interface 和pin脚
一个典型的 NAND Flash 存储器可以分为以下几个主要部分：
- 存储单元阵列：由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储 1 位或多位数据。
- 页缓冲区：用于存储数据的临时区域，在数据写入或读取时使用。
- 控制逻辑：负责管理数据的编程、读取和擦除操作。
- 地址和数据寄存器：存储操作过程中用到的地址和数据。
- 状态寄存器：存储当前操作的状态信息，如忙/闲状态、错误状态等。
- 接口控制器：负责与外部主机进行通信
NAND Flash 存储器主要通过以下几种接口与外部设备通信：
- 并行接口：传统的 NAND Flash 使用 8 位或 16 位并行接口进行数据传输，数据传输速率较高，适用于高速存储需求。
- 串行接口：如 SPI (Serial Peripheral Interface) NAND，采用串行数据传输方式，接口简单，适用于较低数据传输速率的应用场景。
- ONFI (Open NAND Flash Interface)：一种标准化的 NAND Flash 接口协议，旨在提高 NAND Flash 的兼容性和互操作性。
以下是常见的 NAND Flash 存储器引脚及其功能描述：
- CE# (Chip Enable)：芯片使能引脚，低电平有效。当 CE# 低电平时，芯片被选中，可以进行数据传输操作。
- CLE (Command Latch Enable)：命令锁存使能引脚，高电平有效。当 CLE 高电平时，写入的数据被解释为命令
- ALE (Address Latch Enable)：地址锁存使能引脚，高电平有效。当 ALE 高电平时，写入的数据被解释为地址。
- WE# (Write Enable)：写使能引脚，低电平有效。当 WE# 低电平时，数据被写入 NAND Flash。
- RE# (Read Enable)：读使能引脚，低电平有效。当 RE# 低电平时，数据从 NAND Flash 读取。
- WP# (Write Protect)：写保护引脚，低电平有效。当 WP# 低电平时，禁止写入和擦除操作，保护存储器数据。
- R/B# (Ready/Busy)：就绪/忙引脚，低电平表示存储器忙，高电平表示存储器就绪。
- IO0-IO7 (或 IO0-IO15)：数据输入/输出引脚，用于传输数据、命令和地址。
- VCC：电源引脚，为 NAND Flash 提供工作电压。
- VSS (GND)：地引脚，提供电路参考地。
nand flash的组成和寻址方式
NAND Flash 的组成如下:
1.存储单元队列
- 页 (Page)：最小的可编程和可读取单元。典型的页大小是 2KB、4KB 或 8KB。
- 块 (Block)：由多个页组成，通常是 64、128 或 256 页。擦除操作以块为单位进行。
- 平面 (Plane)：由多个块组成，通常一个 NAND Flash 芯片有一个或多个平面。
- 晶圆 (Die)：由一个或多个平面组成。一个 NAND Flash 芯片可以包含一个或多个晶圆。
2.页缓冲区：用于临时存储数据的缓冲区，在数据写入和读取过程中使用。
3.控制逻辑：包括命令解码、地址生成、数据传输控制和错误校正码 (ECC) 等。
4.地址和数据寄存器：用于存储地址和数据，在传输过程中使用。
5.状态寄存器：用于存储当前操作的状态信息，如忙/闲状态、错误状态等。
6.接口控制器：负责与外部主机进行通信。
NAND Flash 的寻址方式
NAND Flash 的寻址方式包括逻辑地址和物理地址。逻辑地址是主机系统看到的地址，而物理地址是实际存储单元的地址。以下是 NAND Flash 的寻址机制：
逻辑到物理地址转换
由于 NAND Flash 存储器的磨损均衡 (Wear-Leveling) 和坏块管理 (Bad Block Management) 机制，逻辑地址与物理地址之间通常存在映射关系。这种映射关系由 NAND Flash 控制器管理。
物理地址结构
页地址：
页地址用于选择具体的页。页地址包括平面地址、块地址和页内偏移。
页地址的高位用于选择平面，中间位用于选择块，低位用于选择页。
块地址：
块地址用于选择具体的块。块地址的高位用于选择平面，中间位用于选择块。
一个块内包含多个页。
平面地址：
平面地址用于选择具体的平面。平面地址的高位用于选择平面。
地址格式示例
假设一个 NAND Flash 存储器具有以下参数：
每页大小：4KB
每块包含页数：128 页
每平面包含块数：1024 块
每芯片包含平面数：2 个
一个具体地址可以表示为：
- 页地址 (低 12 位)：用于选择页内偏移
- 块地址 (中间 10 位)：用于选择块
- 平面地址 (高 1 位)：用于选择平面
- 完整地址格式：平面地址 (1 位) + 块地址 (10 位) + 页地址 (12 位)
nand flash的各个cmd的功能以及作用场景
读取命令
读页命令 (Read Page)：
- 功能：从指定的页读取数据。
- 使用场景：需要从 NAND Flash 中读取数据时使用。
- 典型命令序列：发送读命令，指定页地址，然后读取数据。
写入命令
页编程命令 (Page Program)：
- 功能：将数据写入指定的页。
- 使用场景：需要将数据存储到 NAND Flash 时使用。
- 典型命令序列：发送写命令，指定页地址，传输数据，然后发送确认命令以开始编程。
擦除命令
块擦除命令 (Block Erase)：
- 功能：擦除指定块的所有数据。
- 使用场景：需要清空一个块的数据，以便写入新数据时使用。
- 典型命令序列：发送擦除命令，指定块地址，然后发送确认命令以开始擦除。
状态命令
读状态命令 (Read Status)：
- 功能：读取 NAND Flash 当前的状态。
- 使用场景：需要检查 NAND Flash 是否忙碌，或者是否有错误发生时使用。
- 典型命令序列：发送读状态命令，然后读取状态寄存器。
初始化和复位命令
复位命令 (Reset)：
- 功能：复位 NAND Flash，使其进入初始状态。
- 使用场景：在进行大规模操作前，需要确保 NAND Flash 处于已知状态时使用。
- 典型命令序列：发送复位命令，然后等待复位完成。
隐藏命令
缓存读取命令 (Cache Read)：
- 功能：从缓存中读取数据，提高读取速度。
- 使用场景：需要快速连续读取多个页的数据时使用。
- 典型命令序列：发送缓存读命令，然后读取数据。
随机数据读取命令 (Random Data Read)：
- 功能：从页内的任意位置读取数据。
- 使用场景：需要从特定位置读取数据时使用。
- 典型命令序列：发送随机读命令，指定地址，然后读取数据。 命令执行的流程示例 写入操作 发送页编程命令：将命令发送到 CLE。 指定地址：将要写入的页地址发送到 ALE。 传输数据：将数据发送到数据寄存器。 开始编程：发送确认命令，启动编程过程。 读取操作 发送读页命令：将命令发送到 CLE。 指定地址：将要读取的页地址发送到 ALE。 读取数据：从数据寄存器中读取数据。
reset 在各个sequence下的复位时序
理解 NAND Flash 存储器中的复位命令（Reset）的时序对确保设备正确初始化和恢复正常工作至关重要。复位命令会将 NAND Flash 重置到初始状态，清除所有进行中的命令并返回到空闲状态。以下是不同操作序列中的复位时序解释：
复位时序
复位命令通常包括以下步骤：
- 发送复位命令：在命令锁存使能（CLE）高电平时，将复位命令（通常为 0xFF）发送到 NAND Flash。
- 等待复位完成：复位操作需要一些时间来完成，这段时间称为复位时间（tRST）。 可以通过查询就绪/忙（R/B#）引脚或读取状态寄存器来确认复位是否完成。
- 检查状态寄存器：复位完成后，可以读取状态寄存器以确保 NAND Flash 处于正常状态。
复位命令在不同操作中的使用
- 在初始化过程中 在系统启动时，为了确保 NAND Flash 处于已知状态，发送复位命令。 确保所有寄存器和内部状态清除，准备接收新的命令。
- 在错误恢复过程中 当发生错误或意外情况时，复位命令用于恢复 NAND Flash 的正常工作状态。 例如，在编程或擦除操作失败后，可以发送复位命令进行恢复。
复位时序示例
在这个时序图中：
____________________________
CE# __| |_____________ _______
CLE __| |_______________|___________ _______
WE# __| |_______________|_______________________
IOx | 0xFF |____________________________
R/B# |____________________________|
- CE#：芯片使能引脚
- CLE：命令锁存使能引脚
- WE#：写使能引脚
- IOx：数据引脚
- R/B#：就绪/忙引脚
- CE# 低电平：选中芯片。
- CLE 高电平：命令锁存使能。
- WE# 低电平：写使能。
- 发送复位命令（0xFF）：通过数据引脚传输命令。
- 等待 R/B# 高电平：表示复位完成。
不同操作序列中的复位命令
- 在写操作中的复位 如果写操作过程中发生错误，可以发送复位命令清除错误状态，恢复 NAND Flash 的正常工作。
- 在读操作中的复位 在读操作过程中，如果 NAND Flash 进入不可预期的状态，可以通过复位命令恢复正常状态。
通过理解复位命令的时序，可以确保 NAND Flash 在各种操作场景中正确恢复并准备接收新的操作命令。
read id的应用场景以及解析方法
应用场景
- 设备识别：在系统启动时，使用 Read ID 命令识别连接的 NAND Flash 芯片型号和制造商，以便选择正确的驱动程序和配置。
- 兼容性检查：确保主控芯片（如微控制器或 FPGA）能够识别和正确配置不同型号的 NAND Flash 存储器。
- 诊断和调试：在开发和调试过程中，通过读取 ID 来确认 NAND Flash 芯片型号和版本，帮助定位和解决问题。
解析方法
-
发送 Read ID 命令：向 NAND Flash 发送 Read ID 命令（通常为 0x90）。
-
读取 ID 数据：按顺序读取一系列字节，这些字节包含制造商 ID、设备 ID、第三、第四和第五字节等信息。
读取 ID 数据的结构示例
假设 NAND Flash 返回如下 ID 数据：
- 第1字节：制造商 ID（如 0x2C）
- 第2字节：设备 ID（如 0xA1）
- 第3字节：扩展信息
- 第4字节：保留
- 第5字节：保留
解析步骤：
- 制造商 ID：识别 NAND Flash 的制造商，例如 0x2C 对应 Micron。
- 设备 ID：识别具体的 NAND Flash 型号，例如 0xA1 对应某型号。
- 扩展信息：包含页大小、块大小、平面数等具体参数。
示例解析
假设读取到以下数据：0x2C（制造商 ID） 0xA1（设备 ID） 0x90（扩展信息） 0x15（保留） 0x00（保留）
解析：
- 0x2C：Micron 制造商 ID。
- 0xA1：设备 ID，对应特定型号。
- 0x90：扩展信息，可能表示页大小为 4KB，块大小为 128 页。
- 其余字节保留或未使用。
通过读取和解析这些 ID 数据，系统能够正确识别和配置 NAND Flash 存储器，确保兼容性和正常运行。
interface change 和driver strength setting
Interface Change 主要指在 NAND Flash 和主控芯片之间改变通信接口的模式或速率。
应用场景
- 不同模式切换： 切换 NAND Flash 通信模式，如从传统的并行接口切换到 ONFI（开放 NAND 闪存接口）标准。
- 速率调整： 根据系统需求调整数据传输速率，提高数据传输效率。
Driver Strength Setting 指调整 NAND Flash 芯片驱动信号的强度，以适应不同的负载条件和信号完整性要求。
应用场景
-
信号完整性： 在长电缆或高速传输情况下，增强驱动强度以减少信号衰减和噪声干扰。
-
功耗优化： 在短距离或低速传输情况下，降低驱动强度以减少功耗。
Interface Change 示例
假设从传统的并行接口切换到 ONFI 3.0 标准：
- 发送切换命令：主控芯片发送接口切换命令。
- 配置寄存器：设置相关寄存器以启用新的接口模式。
- 确认切换：通过读取状态寄存器确认切换成功。
Driver Strength Setting 示例
假设在高速数据传输情况下需要增强驱动强度：
- 发送设置命令：主控芯片发送驱动强度设置命令。
- 配置寄存器：调整驱动强度寄存器以设置新的强度值。
- 确认设置：通过读取状态寄存器确认设置成功。 通过合理的 Interface Change 和 Driver Strength Setting，能够优化 NAND Flash 的性能和可靠性。
各个sequence的基本时序
读操作时序
步骤：
- 发送读命令：在 CLE 高电平时，发送读命令。
- 发送地址：在 ALE 高电平时，发送页地址和列地址。
- 读取数据：等待数据准备好，通过数据引脚读取数据。
____________________________
CE# __| |_____________ _______
CLE __| |_______________|___________ _______
WE# __| |_______________|_______________________
IOx | 命令 | 地址 | 数据____________________________
R/B# |____________________________|
写操作时序
步骤：
- 发送写命令：在 CLE 高电平时，发送写命令。
- 发送地址：在 ALE 高电平时，发送页地址和列地址。
- 传输数据：在 WE# 低电平时，通过数据引脚传输数据。
- 发送编程确认命令：在 CLE 高电平时，发送编程确认命令。
- 等待编程完成：通过 R/B# 引脚检测编程完成状态。
____________________________
CE# __| |_____________ _______
CLE __| |_______________|___________ _______
WE# __| |_______________|_______________________
IOx | 命令 | 地址 | 数据____________________________
R/B# |____________________________|
擦除操作时序
步骤：
- 发送擦除命令：在 CLE 高电平时，发送擦除命令。
- 发送块地址：在 ALE 高电平时，发送块地址。
- 发送擦除确认命令：在 CLE 高电平时，发送擦除确认命令。
- 等待擦除完成：通过 R/B# 引脚检测擦除完成状态。
____________________________
CE# __| |_____________ _______
CLE __| |_______________|___________ _______
WE# __| |_______________|_______________________
IOx | 命令 | 地址 | 确认____________________________
R/B# |____________________________|
复位操作时序
步骤：
- 发送复位命令：在 CLE 高电平时，发送复位命令（0xFF）。
- 等待复位完成：通过 R/B# 引脚检测复位完成状态。
____________________________
CE# __| |_____________ _______
CLE __| |_______________|___________ _______
WE# __| |_______________|_______________________
IOx | 0xFF |____________________________
R/B# |____________________________|
